Можно ли комбинировать солнечные тепловые системы Demax с тепловыми насосами?

Коллекторы Demax с тепловыми насосами: гидравлика и отопление

Понимание того, как интегрировать вышеуказанные системы, требует хорошего знания гидравлики, связанной с солнечными тепловыми коллекторами и контурами тепловых насосов. В идеале при заданном режиме работы расходы теплоносителя через коллекторы и тепловой насос должны отличаться не более чем на 10 % друг от друга, чтобы избежать раздражающих паразитных потерь, вызванных чрезмерной циркуляцией. Кроме того, для обеспечения достаточного теплопереноса следует стремиться поддерживать турбулентный режим течения. Распространённое утверждение, которое часто делают специалисты, касается термических градиентов или перепадов температур, создаваемых коллекторами. Коллекторы Demax могут обеспечивать температуру на выходе в диапазоне от 50 до 80 °C, тогда как большинство тепловых насосов работают плохо или вообще не работают в диапазоне температур 25–35 °C. Чтобы устранить или минимизировать эти термические градиенты и одновременно повысить эффективность теплопередачи, может потребоваться использование стратифицированных буферных ёмкостей или компактных пластинчатых теплообменников с температурным приближением не более 2 °C. Исследования, проведённые в отрасли, показали, что при отсутствии продуманного интерфейсного дизайна в гибридных системах их КПД может снижаться на 15–22 % относительно расчётного значения. Это также одна из главных причин, по которой применение термостатических смесительных клапанов критически важно для поддержания стабильной температуры на входе при переменном солнечном приходе.

Маркетинг соответствия: приоритетная логика, ступенчатое регулирование температуры и нормативы против кратковременных циклов включения-выключения

Прогнозирующая производительность требует интеллектуально обоснованного управления, которое корректирует расход энергии в зависимости от текущих/реальных условий. Активность системы регулируется посредством трёхфазных протоколов приоритизации:

Основной солнечный режим активируется, когда температура коллектора превышает требуемую температуру источника теплового насоса как минимум на 8 °C.

Режим гибридной поддержки активируется при частичном солнечном излучении и регулирует температуру контура коллектора таким образом, чтобы источник циркуляции предварительно нагревался без чрезмерного перегрева.

Режим приоритизации теплового насоса активируется при недостатке солнечной энергии; при этом регулируются расходы теплоносителя в системе, а повреждение компрессора предотвращается за счёт поддержания и контроля продолжительности его работы.

Полевые испытания в Европе показали, что ступенчатое регулирование температуры сократило циклическую работу компрессора на 40 % и продлило срок службы оборудования на этот период. Системы защиты от частых кратковременных включений включают прогнозирующее и предвосхищающее управление нагрузкой, а также прогнозирование тепловой потребности, что позволяет сократить ненужные пуски, увеличивающие эксплуатационные расходы на 740 долларов США в год на единицу оборудования (Институт Понемона, 2023 г.).

Эксплуатационные преимущества тепловых насосов с солнечной поддержкой (SAHP)

Комбинирование солнечных тепловых коллекторов и тепловых насосов обеспечивает синергетический эффект благодаря их различным сильным сторонам, которого каждый из компонентов по отдельности достичь не может. Можно рассматривать это как своего рода командную работу с использованием нескольких источников энергии. Солнечные коллекторы обеспечивают тепло, которое затем используется тепловым насосом для повышения эффективности теплопередачи. Например, зданиям требуется меньше энергии для работы тепловых насосов, поскольку часть энергии, подлежащей перемещению, уже поставляется за счёт солнечной энергии, и, следовательно, снижается энергопотребление самого теплового насоса. Кроме того, такая конфигурация улучшает энергетические показатели здания и изменяет профиль его энергопотребления за счёт снижения общего энергопотребления, что повышает энергоэффективность здания и улучшает его нагрузочный профиль. Таким образом, тепловые насосы с солнечной поддержкой способствуют более эффективному взаимодействию зданий с электрической сетью, особенно в периоды пикового энергопотребления.

Повышение КПД: полевые испытания интегрированных солнечных тепловых насосов Demax в ЕС

Европейские испытания систем SAHP в сочетании с технологией Demax показали повышение коэффициента производительности (COP) на 20–30 % по сравнению с автономно используемыми тепловыми насосами. Поскольку испаритель получает тепловую энергию от солнечных коллекторов, общее потребление электроэнергии снижается, а температура испарителя компрессора уменьшается на 10–15 °C, что облегчает работу тепловых насосов. Наибольший потенциал энергосбережения данной технологии реализуется при совпадении солнечной активности и пикового спроса на отопление. Помимо экономии электроэнергии, усовершенствованные системы SAHP более энергоэффективны зимой, поскольку требуют меньшего числа циклов размораживания и, следовательно, расходуют меньше энергии.

Смещение нагрузки и устойчивость электросети: предварительный подогрев исходной воды для снижения пикового электропотребления

Солнечные тепловые насосы (SAHP) используют солнечный свет для нагрева воды, которая затем используется вечером, когда тарифы на электроэнергию выше, а аккумулятор тепловой энергии (SAPH) заряжается днём, когда тарифы ниже. В коммерческих системах мы зафиксировали, что применение аккумулятора тепловой энергии позволяет снизить пиковое потребление энергии на 30–40 %. Помимо снижения расходов на энергию, SAHP повышают гибкость энергосети, а участие в программах управления спросом создаёт дополнительные источники дохода для владельцев зданий. Благодаря тепловым насосам ранее игнорируемое отопительное оборудование становится ключевым элементом в управлении энергопотреблением клиентов и улучшении общей работы энергосети.

Почему одних солнечных тепловых систем недостаточно — и как тепловые насосы завершают стратегию декарбонизации. Солнечные тепловые системы способны улавливать возобновляемое тепло от солнца, однако у них есть ограничения. Их способность улавливать тепло снижается при облачности, зимой и в ночное время. Если полагаться исключительно на тепловые системы для получения тепла, необходимого для производства энергии, такие системы вынуждены использовать ископаемое топливо, что сводит на нет цели по сокращению выбросов углерода. В сочетании с тепловыми системами тепловые насосы становятся чрезвычайно полезными. Они способны извлекать тепловую энергию из окружающей среды и обеспечивать подачу тепла одновременно с выработкой солнечной энергии. Тепловые насосы отличаются высокой эффективностью и характеризуются коэффициентом производительности (COP), который может достигать 3,5 — это значительно выше эффективности традиционных систем. Кроме того, их совместное применение со солнечными тепловыми системами повышает общую эффективность: солнечная тепловая установка предварительно нагревает воду перед её поступлением в тепловой насос, благодаря чему компрессор работает более эффективно.

Согласно исследованиям, такая конфигурация позволяет снизить пиковое потребление электроэнергии на 18–34 % в периоды стресса для электросети (2023 г., Фраунгоферовский институт солнечной энергетики ISE). По данным МЭА за 2024 г., на тепловые насосы приходится лишь 10 % от общего объёма отопления зданий в мире, что не соответствует нашим климатическим целям. Однако интеграция тепловых насосов с технологией солнечного теплоснабжения повышает степень контроля над энергопотреблением, увеличивает надёжность и обеспечивает углеродно-нейтральное отопление зданий в течение всего года. Эти две технологии особенно хорошо дополняют друг друга: солнечная энергия повышает эффективность тепловых насосов, а тепловые насосы обеспечивают бесперебойную работу в периоды недостатка солнечной энергии. Такое инновационное сочетание действительно трансформирует подход к снижению зависимости от ископаемых видов топлива как с технической, так и с экономической точки зрения — в отличие от других технологий, которые просто складывают «один плюс один», получая в результате «два».

Раздел часто задаваемых вопросов

Вопрос 1: Какова основная проблема при интеграции коллекторов Demax в контуры тепловых насосов?

A1: Основная задача заключается в балансировке гидравлики солнечных тепловых коллекторов и контуров тепловых насосов для предотвращения паразитных потерь и обеспечения эффективной передачи тепла.

Как различия температур влияют на взаимодействие систем друг с другом?

Коллекторы Demax способны достигать температуры 80 °C, однако тепловые насосы работают наиболее эффективно при температуре 25–35 °C. Это означает, что для преодоления данного температурного разрыва при сохранении общей эффективности системы требуются специальные решения.

Как солнечно-тепловые насосы (SAHP) повышают эффективность?

SAHP функционируют за счёт солнечной энергии как «нового» (менее 6 лет) энергетического уровня. Такой вид энергии является более экономичным, а также позволяет теплу легко «перемещаться» внутри установки.

Почему одной солнечной тепловой энергией недостаточно?

Солнечные тепловые системы также теряют эффективность в пасмурную погоду и ночью, поэтому им также требуется поддержка ископаемого топлива. Тепловые насосы также могут дополнять солнечные тепловые системы, обеспечивая подачу тепла, когда солнце недоступно, что способствует полной реализации цели декарбонизации.